Las baterías de estado sólido tienen varias ventajas: pueden almacenar más energía y son más seguras que las baterías con electrolitos líquidos. Sin embargo, no duran mucho y su capacidad disminuye con cada ciclo de carga. Pero no tiene por qué seguir así: los investigadores ya están tras la pista de las causas. En la revista ACS Energy Letters, un equipo de HZB y Justus-Liebig-Universität, Giessen, utilizó espectroscopía de fotoelectrones en BESSY II para monitorear con precisión las reacciones electroquímicas durante el funcionamiento de una batería de estado sólido y presenta un nuevo método. Los resultados ayudan a mejorar los materiales y diseños de las baterías.
Las baterías de estado sólido utilizan un conductor de iones sólido entre los electrodos de la batería en lugar de un electrolito líquido, lo que permite que el litio se mueva durante la carga y descarga. Esto tiene ventajas que incluyen una mayor seguridad durante la operación y, en general, una mayor capacidad. Sin embargo, la vida útil de las baterías de estado sólido es todavía muy limitada. Esto se debe a que en la interfaz entre el electrolito y el electrodo se forman productos de descomposición e interfaces que dificultan el transporte de iones de litio y provocan un consumo de litio activo, por lo que la capacidad de las baterías disminuye con cada ciclo de carga.
que ocurre durante la operacion?
Ahora, un equipo dirigido por los investigadores del HZB, el Dr. Elmer Katayev y el profesor Marcus Barr, ha desarrollado un nuevo método para analizar reacciones electroquímicas en la interfaz entre un electrolito sólido y un electrodo con alta resolución temporal. Katayev explica la pregunta de la investigación: “¿Bajo qué condiciones y a qué voltaje ocurren tales reacciones, y cómo evoluciona la composición química de estos pasos intermedios durante el funcionamiento de la célula?”
Se examinó el mejor candidato, LiPSCl.
Para el estudio, analizaron muestras de electrolito sólido Li.6PD5Cl, un material considerado un excelente candidato para baterías de estado sólido debido a su alta conductividad iónica. Trabajaron junto con el equipo del experto en baterías, el profesor Jürgen Janek de la Universidad Justus Liebig de Giessen (JLU Giessen). Como electrodo de trabajo sirve una capa extremadamente fina de níquel (30 capas atómicas o 6 nanómetros). Se presionó una película de litio sobre el otro lado del Li.6PD5Pellet de Cl para actuar como contraelectrodo.
Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros HAXPES
Para analizar las reacciones interfaciales y la formación de capas intermedias (SEI) en tiempo real y en función del voltaje aplicado, Kataev aprovechó las capacidades analíticas del contenido de energía utilizando el método de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES). BESSY II en el Laboratorio In Situ de Berlín (EMIL): Los rayos X inciden sobre la muestra, lo que excita los átomos allí y los productos de la reacción se identifican mediante fotoelectrones emitidos en función del voltaje de la celda y del tiempo. Los resultados mostraron que las reacciones de descomposición eran sólo parcialmente reversibles.
Outlook: prueba de diferentes materiales de batería
“Demostramos que es posible utilizar colectores de corriente ultrafinos para estudiar reacciones electroquímicas en interfaces enterradas utilizando métodos de caracterización de superficies”, dice Kataev. El equipo del HZB ya ha recibido consultas de grupos de investigación de Alemania y del extranjero que también están interesados en este enfoque característico. Como siguiente paso, el equipo de HZB quiere ampliar este enfoque e investigar también baterías con electrolitos de polímeros compuestos y diferentes tipos de materiales de ánodo y cátodo.
